技术成神之路：设计模式（三）原型模式

news2025/1/2 0:26:23

1. 定义

原型模式（Prototype Pattern）是一种创建型设计模式，旨在通过复制现有对象来创建新对象，而不是通过实例化类的方式。这个模式可以提高对象创建的效率，尤其是在创建对象的过程非常复杂或代价高昂时。

2. 结构

原型模式包含以下角色：

Prototype（原型接口）：用于声明克隆自身的方法。通常这个接口会定义一个名为clone的抽象方法。
ConcretePrototype（具体原型类）：实现原型接口，并实现克隆自身的方法。这类对象可以被克隆。
Client（客户端）：使用原型接口来克隆新的对象。

UML类图：
在这里插入图片描述

3. 示例代码

// 原型接口
interface Prototype extends Cloneable {
    Prototype clone();
}

// 具体原型类A
class ConcretePrototypeA implements Prototype {
    private String name;

    public ConcretePrototypeA(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public Prototype clone() {
        try {
            return (Prototype) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ConcretePrototypeA{name='" + name + "'} hashcode= "+ hashCode();
    }
}

// 具体原型类B
class ConcretePrototypeB implements Prototype {
    private int value;

    public ConcretePrototypeB(int value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public Prototype clone() {
        try {
            return (Prototype) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ConcretePrototypeB{value=" + value + "} hashcode= "+ hashCode();
    }
}

测试：

@Test
    public void test() {
        ConcretePrototypeA prototypeA = new ConcretePrototypeA("Prototype A");
        ConcretePrototypeB prototypeB = new ConcretePrototypeB(42);

        Prototype clonedPrototypeA = prototypeA.clone();
        Prototype clonedPrototypeB = prototypeB.clone();

        System.out.println("原型A: "+prototypeA);
        System.out.println("克隆A: "+clonedPrototypeA);
        System.out.println("原型B: "+prototypeB);
        System.out.println("克隆B: "+clonedPrototypeB);
    }

打印：

原型A: ConcretePrototypeA{name='Prototype A'} hashcode= 1823541245
克隆A: ConcretePrototypeA{name='Prototype A'} hashcode= 1020154737
原型B: ConcretePrototypeB{value=42} hashcode= 398457879
克隆B: ConcretePrototypeB{value=42} hashcode= 1850954068

4. 应用场景

对象的创建开销很大：通过克隆现有对象而不是重新创建，可以节省时间和资源。
系统需要大量类似对象：通过克隆原型对象，可以快速生成多个相似但独立的对象。
对象的状态需要动态改变：通过克隆原型对象，可以创建具有特定状态的新对象。

情景回顾：

原型模式在实际应用中可能并不常见，或许你见到过但没留意，因为它的应用场景太少了，让我想起了在写一个多任务下载模块时，每下载一个文件其都有对应的mode，记录一些下载信息状态信息等内容，再进行更新进度的时候需要把这个对象发送出去，通知外界更新UI，有一个问题就是下载中操作的对象和发送出去的对象是同一个，就会出现异常现象，我发送出去的下载进度是90%，UI还没来得及更新，这边又将进度修改为95%了，emm… 可能我描述的问题，你觉的不严重，但这种不可预测的现象是我们不希望发生的。
其中解决方式一就是克隆一个对象，让UI显示的和下载操作的对象互不干扰，这时如果你new一个新对象的话相比克隆就劣势就凸显出来了。

5. 优缺点

优点：

提高对象创建效率：避免了复杂对象的重复创建，通过克隆现有对象来生成新对象。
动态创建对象：可以在运行时动态创建对象，而无需了解具体的类。
减少子类的数量：通过克隆原型对象，可以减少创建子类的数量，增强系统的灵活性。

缺点：

深拷贝和浅拷贝问题：在涉及复杂对象时，深拷贝和浅拷贝的问题需要特别注意。如果对象包含对其他对象的引用，浅拷贝可能不够用，需要实现深拷贝。
克隆方法的实现复杂：对于一些复杂的对象，克隆方法的实现可能比较复杂，需要处理对象间的依赖关系。

6. 深拷贝与浅拷贝

在原型模式中，克隆可以分为浅拷贝和深拷贝：

浅拷贝：复制对象时，只复制对象本身，而不复制对象所引用的其他对象。也就是说，复制后的对象与原对象共享对其他对象的引用。
深拷贝：复制对象时，不仅复制对象本身，还复制对象所引用的其他对象。这样，复制后的对象与原对象是完全独立的，不共享任何引用。

7. 深拷贝与浅拷贝示例

// 原型接口
interface Prototype extends Cloneable {
    Prototype clone();
}

// 具体原型类
class ConcretePrototype implements Prototype {
    private String name;
    private List<String> list;

    public ConcretePrototype(String name) {
        this.name = name;
        this.list = new ArrayList<>();
    }

    public void addToList(String item) {
        list.add(item);
    }

    public List<String> getList() {
        return list;
    }

    @Override
    public Prototype clone() {
        try {
            ConcretePrototype copy = (ConcretePrototype) super.clone();
            // 深拷贝 -测试浅拷贝时注释下面代码！！！
            copy.list = new ArrayList<>(this.list);
            return copy;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ConcretePrototype{name='" + name + "', list=" + list + "} list hashcode=" + list.hashCode();
    }
}

测试：

    @Test
    public void test() {
        ConcretePrototype prototype = new ConcretePrototype("Prototype");
        prototype.addToList("Item1");
        prototype.addToList("Item2");

        // 浅拷贝示例
        ConcretePrototype shallowClone = (ConcretePrototype) prototype.clone();

        // 添加新项到原型对象的列表
        prototype.addToList("Item3");

        System.out.println("原型: " + prototype);
        System.out.println("浅拷贝: " + shallowClone);

        // 深拷贝示例
        ConcretePrototype deepClone = (ConcretePrototype) prototype.clone();

        // 添加新项到深拷贝对象的列表
        deepClone.addToList("Item4");

        System.out.println("原型: " + prototype);
        System.out.println("深拷贝: " + deepClone);
    }

测试浅拷贝打印：

原型: ConcretePrototype{name='Prototype', list=[Item1, Item2, Item3]} list hashcode=1757018142
浅拷贝: ConcretePrototype{name='Prototype', list=[Item1, Item2, Item3]} list hashcode=1757018142

可以看出两个对象所引用的list对象为同一个

测试深拷贝打印：

原型: ConcretePrototype{name='Prototype', list=[Item1, Item2, Item3]} list hashcode=1757018142
深拷贝: ConcretePrototype{name='Prototype', list=[Item1, Item2, Item3, Item4]} list hashcode=-1296039165

两个对象引用的list完全不一样了，操作互不影响

8. 设计模式的比较

原型模式与其他创建型设计模式（如工厂模式、抽象工厂模式、单例模式等）有其独特之处：

与工厂模式的区别：工厂模式通过提供一个方法来创建对象，而原型模式通过复制现有对象来创建新的对象。工厂模式适合对象创建过程简单但需要解耦对象创建过程的场景，而原型模式适合对象创建过程复杂且需要高效创建对象的场景。
与单例模式的区别：单例模式确保一个类只有一个实例，而原型模式则允许通过克隆来创建多个实例。它们解决的问题不同，前者关注的是实例的唯一性，后者关注的是高效创建对象。